Ein internationales Forscherteam der Universität Tohoku (Japan), des Indian Institute of Technology Indore (IIT) und der Dalhousie University (Kanada) hat entdeckt, dass Cu₁₄-Nanocluster mit einem einzigen exponierten Kupfer-Aktivzentrum eine hohe Selektivität und Reaktionsgeschwindigkeit bei der elektrochemischen Reduktion von Nitrat zu Ammoniak aufweisen. Diese Forschung bietet einen neuen Ansatz für die Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Katalysatoren für die Ammoniaksynthese. Die zugehörige Publikation erschien am 9. Dezember 2025 in der Fachzeitschrift *ACS Catalysis*.

Ammoniak, ein potenziell hochwertiger, sauberer Energieträger, wird in seiner traditionellen industriellen Produktion unter hohen Temperaturen und Drücken hergestellt, was zu hohem Energieverbrauch und Emissionen führt. Elektrochemische Nitratreduktionsreaktionen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, um Ammoniak bei Raumtemperatur und -druck zu synthetisieren, gelten als umweltfreundliche Alternative. Kern dieser Forschung ist die erfolgreiche Herstellung von Cu₁₄-Nanocluster-Katalysatoren mit einer einzigen exponierten Kupfer-Aktivstelle und koordinativer Ungesättigtheit durch präzise Ligandenkontrolle.

Forschende erreichten eine präzise Kontrolle über die Struktur der Nanocluster durch die Auswahl spezifischer Thiolat- und Triphenylphosphin-Liganden für den gemeinsamen Schutz und legten so wichtige Aktivstellen frei. Tokuhisa Kawawaki vom Institut für Fortgeschrittene Materialien der Universität Tohoku erklärte: „Da organische Liganden die ursprünglich nutzbaren Aktivstellen maskieren, suchten wir nach einer Möglichkeit, diese durch gezielte Manipulation der Ligandenwechselwirkungen sichtbar zu machen.“ Elektrochemische Tests zeigten, dass dieser Katalysator mit exponierten Aktivstellen eine Faradaische Ausbeute von 78 % bei der Ammoniaksynthese erreichte. Die Ammoniakbildungsraten waren 2,72-mal bzw. 5,69-mal höher als beim Kontrollkatalysator ohne exponierte Stellen bzw. beim herkömmlichen Kupfernanopartikel-Katalysator.

Diese Studie bestätigt nicht nur den signifikanten Einfluss der Gesamtgeometrie von Metall-Nanoclustern auf deren katalytische Aktivität, sondern zeigt auch direkt die entscheidende Rolle der Freilegung einzelner aktiver Zentren für die Verbesserung der katalytischen Leistung auf. Yuichi Negishi vom Institut für fortgeschrittene Materialien der Universität Tohoku erklärte: „Dieser Erfolg beweist unmittelbar, dass die Freilegung eines einzelnen aktiven Zentrums die katalytische Aktivität signifikant verändern kann. Wir freuen uns sehr über diesen neuen Meilenstein in der Metall-Nanocluster-Forschung.“ Diese Entdeckung legt die theoretische Grundlage für die zukünftige Entwicklung hochselektiver und effizienter Katalysatoren für die grüne Energieumwandlung.

Weitere Informationen: Autoren Shiho Tomihari et al., Titel: „Exposure of active metal sites on Cu14 nanoclusters and their application in highly selective electrocatalytic nitrate reduction“, veröffentlicht in ACS Catalysis (2025). Zeitschrifteninformationen: ACS Catalysis